酶 洗衣粉,嫩肉粉,护肤品中...
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酶-洗衣粉,嫩肉粉,护肤品中的奥秘分子
改变生活的生物技术
酶的研究简史
改变生活的生物技术
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改变生活的生物技术
什么是酶?
• 酶(enzyme),是负责催化化学反应的生物分子。
• 绝大多数酶是蛋白质,一些RNA也具有酶的活性。
• 在大肠杆菌中,存在1000多种酶。
人乙二醛酶 核酶
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酶催化生物反应的过程
• 酶与底物结合 • 形成底物-酶复合物 • 酶催化底物的化学反应,底物转化为产物,继续与酶结合 • 酶将产物释放。
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鹰的胃中存在消化肉的神秘物质
• 1783年,意大利科学家Lazzaro Spallanzani设计了一个巧妙的实验。来研究鹰的消化作用。
• 他将肉块放入小巧的金属笼中,然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出,发现肉块消失了。他推断胃对肉的消化不依靠机械的碾碎,而是通过某种化学反应,胃液中一定含有消化肉块的物质。但他并不知道这是什么物质。
Lazzaro Spallanzani
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第一种被发现的酶-淀粉酶
• 1833年,法国化学家Anselme Payen从麦芽溶液中发现了第一种酶-淀粉酶。他也是发现纤维素的人。
• Anselme Payen发现将啤酒原浆加热后,其中含有的淀粉酶可以将大麦中的淀粉转化为可溶解于水的糖,使大麦的壳与种子分离。
Anselme Payen 淀粉酶
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酵素
• 19世纪中叶,法国微生物学家 Louis Pasteur发现酵母可以将糖转化为酒。
• 他认为这个过程是由酵母体内的“酵素”完成的,而且“酵素”必须在生命体中才能发挥作用。
酵母可以将糖转化为酒 Louis Pasteur
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酶的命名
• 1877年,德国生理学家Wilhelm Kühne首次采用了Enzyme(酶)这个名称。
• Enzyme来源于希腊语“在酵面中”,表明这种物质参与的反应。
• Wilhelm Kühne也是常见的蛋白酶-胰酶的发现者。
Wilhelm Kühne 酵面团
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酶不需要细胞也能发挥作用
• 1877年,德国化学家Eduard Buchner发现在没
有酵母细胞的情况下,酵母中的酶依然可以发酵。这说明酶可以在细胞外发挥作用,这纠正了Pasteur关于酵素的错误观点
• 1907年, Eduard Buchner 获得了诺贝尔化学奖。
Eduard Buchner
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酶的本质是蛋白质
• 1926年,美国化学家James B. Sumner提纯并结晶了尿素酶,证明了它是一种蛋白质。这一发现结束了之前关于酶是否是蛋白质的争论。
• 1946年, James B. Sumner获得了诺贝尔化学奖。
(NH2)2CO + H2O → CO2 + 2NH3
James B. Sumner 尿素酶和它催化的反应
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第一个结构被解析的酶-溶菌酶
• 溶菌酶是存在于蛋清、泪和其他分泌物中的一种酶,具有杀菌作用。
• 1965年,英国结构学家David Chilton Phillips利用X-射线晶体衍射技术,获得了溶菌酶的结构,它是第一种结构被解析的酶。
• 该项工作标志了结构生物学的兴起。
David Chilton Phillips 溶菌酶的结构
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核酶的发现
• 20世纪80年代,美国化学家Thomas Cech和加拿大分子生物学家Sidney Altman发现RNA也能具有酶活,这类RNA被称为核酶(Ribozyme)。
• 1989年,Cech和Altman获得了诺贝尔化学奖。
Thomas Cech Sidney Altman 核酶可以催化对RNA的切割
秸秆变糖的秘密-糖苷酶
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什么是秸秆
• 秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分。常说的“稻草”就是一种主要的秸秆。
• 农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中,但不能被人体直接利用。
• 燃烧是对秸秆的主要利用方式,在浪费资源的同时,也污染了环境。
秸秆 焚烧秸秆
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秸秆的主要成分
• 秸秆的主体是植物细胞壁。
• 植物细胞壁的主要成分包括了纤维素,半纤维素和木质素。因此,这三种物质也是秸秆的主要成分,它们都是重要的再生资源。
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纤维素
• 纤维素(cellulose)是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种有机多聚物,占植物界碳含量的50%以上。
• 纤维素很难被人类吸收,人类缺乏有效分解纤维素的酶
纤维素 纤维素的单体 葡萄糖
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半纤维素
• 半纤维素(hemicellulose),是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体,这些糖是五碳糖和六碳糖,包括木糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖等。
• 半纤维素也不能被人类吸收。
半纤维素
甘露糖 木糖
半乳糖 葡萄糖 阿拉伯糖
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糖苷酶
• 糖苷酶(Glycoside hydrolase),也称糖苷水解酶,是一类降解糖苷键,释放出小分子糖的酶。
• 糖苷酶在自然界中广泛存在,是降解纤维素和半纤维素的主要酶。
• 目前已知的糖苷酶有2500多种,分为100多个家族,它们的底物特异性和活性各不相同。
• 食草动物,例如牛,羊,马的胃中的微生物含有糖苷酶,可以分解纤维素和半纤维素,把它们消化为糖,作为能量被机体吸收。
糖苷酶催化的反应 淀粉酶
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纤维素酶降解纤维素
• 纤维素酶是一种主要的糖苷酶。
• 通过多种作用方式,纤维素酶可以将纤维素中的葡萄糖释放出来。
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多种半纤维素酶协同降解半纤维素
• 由于半纤维素含有不同种类的糖,要将其完全降解为单糖,就需要多种糖苷酶的合作,它们被称为半纤维素酶
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糖苷酶将秸秆变能源
• 秸秆是农作物的主要副产品,小麦秸秆占据了世界农作物产量的50%。
• 以纤维素酶和半纤维素酶为代表的糖苷酶可以将秸秆降解为容易被利用的单糖或寡糖,再利用微生物对糖发酵,就可获得乙醇-生物能源。
糖苷酶 微生物
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玉米换能源-与民争粮
• 2007年,美国通过了新能源法案,将发展生物燃料等替代能源作为国策。这使得用于乙醇生产的玉米谷粒的比例不断上升,目前已经达到了40%。
• 玉米是主要的饲料原料,玉米价格的上涨造成了食物价格的上涨,被认为与2007-2008年的世界粮食危机有关。
• 目前秸秆变乙醇的成本偏高,是玉米变乙醇的2-3倍。
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糖苷酶在食品工业中的应用
• 糖苷酶可以将破坏植物细胞壁,便于释放内容物,同时将细胞壁中难以利用的多糖类复合物降解为能够被人体直接利用的单糖,一举多得,在食品工业中有着广泛的应用。
在蔬果榨汁中添加糖苷酶,提高汁液提取率。
在啤酒酿造中添加糖苷酶,加快麦芽溶解,提高效率。
在酱油酿造中添加糖苷酶,缩短酿造时间,增加风味。
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糖苷酶在造纸业中的应用
• 作为造纸的原料,木材富含木质素和木聚糖。木质素是纸张色素的来源。
• 木聚糖酶作为一种糖苷酶,可以降解木聚糖,便于木质素的释放。
• 在纸浆中添加木聚糖酶,可以有效漂白纸浆,同时免除了用化学法漂白带来的污染(如二恶英)。
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糖苷酶在服装业中的应用
• 棉花的纤维素含量接近100%,为天然的最纯纤维素来源
• 在洗涤液中添加纤维素酶后,可以去除棉制纺织品表面形成的微纤维,可以抗起球,提高表面光洁度,使织物颜色鲜艳,提升外观质量。
棉花 添加纤维素酶 未添加纤维素酶
洗衣剂和嫩肉粉中的神奇分子 -蛋白酶
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衣服上的污渍
• 肉汤渍、奶渍,血渍,汗渍,尿渍,这些都是衣服上特别难洗的污渍。
• 其实它们有一个共同点:它们都含有蛋白质,蛋白质与纤维会牢固结合,难以清洗,而且经过氧化后,蛋白质颜色会变深,使污渍更加明显
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普通洗衣剂
• 普通洗衣剂的主要成分是表面活性剂,其主要作用是溶解脂肪酸。
• 因此,普通洗衣剂主要针对的是油渍,但对于蛋白质渍作用不大。
洗衣剂 表面活性剂 表面活性剂包裹着油脂
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蛋白酶能够降解蛋白质
• 蛋白质的本质是由氨基酸组成的多肽,氨基酸之间由肽键进行连接。
• 蛋白酶是可以水解肽键的酶,因此它可以降解蛋白质。
• 意大利科学家Lazzaro Spallanzani实验中,消化鹰肚子里肉的物质就是蛋白酶。
外切蛋白酶
内切蛋白酶
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洗衣剂中添加酶
• 在第一次世界大战之前,荷兰人发现在动物胰脏中提取的物质可以帮助清洗蛋白质的污渍。这种物质主要成分是胰蛋白酶。
• 1914年,德国化学家Otto Röhm发明了一种胰蛋白酶的片剂,可以在洗涤的时候加入,该商品被称作Burnus。
Ottto Röhm
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洗衣剂用酶的革新
• Burnus虽然可以帮助去除蛋白质污渍,但是它在高温,和在洗涤剂中很不稳定,容易失效,所以去污效果不稳定。
• 1963年,科学家们在洗衣剂中加入枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)
中提取的一种碱性蛋白酶。该酶不仅可以抵御洗涤剂中的碱性环境,还可以在60度的温度中保持活性,因此大大提高了洗涤的效果。
枯草芽孢杆菌 枯草杆菌蛋白酶
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洗涤效果
• 血渍是一种蛋白质,血渍的红色是由血红蛋白产生的。
• 经普通洗涤剂中浸泡和洗涤后,有明显残留。
• 在含有枯草杆菌蛋白酶的洗涤液中浸泡后,血渍已经溶解,均匀分布到织物上,再经过常规洗涤后,可以完全去除污渍。
普通洗衣剂
加酶洗衣剂
浸泡 洗涤
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洗衣剂里的其他酶
• 淀粉酶:去除微纤维,使衣物光洁,颜色鲜艳 • 脂肪酶:水解脂肪,可以有效去除油渍。
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木瓜中的秘密-木瓜蛋白酶
• 在几千年前,拉丁美洲的土著居民发现生木瓜的果实与肉一起烹调可以把肉变得鲜嫩。发挥作用的是木瓜蛋白酶。
• 此外,将木瓜的树叶包裹着肉食进行烹调,一方面可以防止肉食烤焦,保持水分,同时可以利用树叶中含有的木瓜蛋白酶来软化肉质。
木瓜炖排骨
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木瓜蛋白酶使肉变嫩的原因
• 胶原蛋白是由3组蛋白纤维构成,结构稳定,难以被破坏。 • 肉中胶原蛋白含量越高,肉就越硬,反之就越嫩,经常运动的部位含有
较高的胶原蛋白。 • 木瓜蛋白酶使肉变嫩的主要原因就是它可以有效降解胶原蛋白。
胶原蛋白 胶原蛋白越少,肉越嫩
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嫩肉粉
• 1947年,Adolph’s公司的科学家发现木瓜蛋白酶可以将口感粗硬的廉价肉变得柔软,因此推出了以木瓜蛋白酶为主要成分的嫩肉粉产品。
• 木瓜蛋白酶要在70度以上才会失活。因此如果不对肉进行烹调,酶就会持续降解肉中的纤维,甚至在冰箱里也会发挥作用。假如处理时间过长,肉就会变成肉糊。
老款嫩肉粉的广告 新款嫩肉粉 中国松肉粉
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皮革业中的木瓜蛋白酶
• 动物皮中的胶原蛋白的含量最高。
• 在皮料处理中采用木瓜蛋白酶,可以促进脱毛,软化皮料,使毛孔细腻,皮纹光亮效果。
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木瓜蛋白酶的医疗用途
• 非洲的土著居民利用木瓜来处理伤口,特别是用于清除烧伤后坏死的组织。在此基础上发展了清除软膏,Accuzyme。
• 木瓜蛋白酶可以用于治疗水母、蜜蜂、黄蜂等蛰伤,因为木瓜蛋白酶可以降解生物毒液中的蛋白毒素。它是在澳大利亚流行的急救药“Stop Itch”中的主要成分。
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牙膏中的木瓜蛋白酶
• 木瓜蛋白酶是一些牙膏或薄荷糖的成份之一,有助于牙齿亮白。这些产品中的木瓜蛋白酶浓度都很低,而且还会被唾液进一步稀释,因此这种亮白效果比较小,需要长时间使用才能见效。
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化妆品中的木瓜蛋白酶
• 木瓜蛋白酶也经常被运用在化妆品与保养品之中,如深层洁面乳,和毛孔净化洗液等
• 木瓜蛋白酶对一些敏感性或干性肌肤可能有刺激性。
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木瓜蛋白酶的生产
• 目前,木瓜蛋白酶的主要来源是从木瓜树的果实的乳液。
• 通过割果实的颈部来获得乳液,乳液滴入容器中被收集起来。风干后的乳液就是木瓜蛋白酶的粗制品。
• 经过进一步的纯化以除去杂质后,制成干粉或液体上市。
美丽伴你行-护肤品中的酶
改变生活的生物技术
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超氧离子的危害
• O2-被称为超氧离子,也被称为氧自由基,是生物体多种生理反应中自
然生成的中间产物。具有很强的毒性,被用于杀死入侵的病原体。
• 超氧离子在体内的累积,会造成氧毒害,引起对射线的敏感,并可能造成衰老。
超氧离子
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超氧化物歧化酶可以去除超氧离子
• 超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,简称SOD)是一种能够催化超氧离子为氧气和过氧化氢的酶,尽管过氧化氢对机体有害,但体内的过氧化氢酶(catalase, CAT)会立即将其分解为完全无害的水。
• SOD是机体内天然存在的超氧离子的清除因子,是一种重要的抗氧化剂。
2O2-+2H+ H2O2 + O2
SOD
超氧化物岐化酶-SOD
2H2O2 2H2O + O2
CAT
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SOD在治疗中的使用
• SOD具有很好的消炎的效果,主要针对结肠炎和大肠炎。
• 来源于牛肝中的SOD,曾以Orgotein为商品名进行销售,用于治疗尿路感染,后因疯牛病而被禁用。
• 在小鼠中,SOD可以缓解由顺铂(一种化疗药物)造成的肾损伤。
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护肤品中的SOD
• SOD通过去除超氧离子,缓解细胞中的氧压力,可能对皮肤细胞提供保护。
• 虽然关于SOD对于皮肤保护的研究并不完善,但这不妨碍各大护肤品厂商将其加入产品中,并作为卖点宣传。
大宝SOD蜜 LANCOME青春优氧晚霜 雅姿细胞再生滋养晚霜
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溶菌酶
• 溶菌酶(Lysozyme)是一种糖苷酶,通过降解细菌的细胞壁来杀死细菌。
• 1922年,英国生物学家Alexander Fleming发现并命名了溶菌酶。
• 溶菌酶广泛存在于人体多种组织中,鸟类和家禽的蛋清、哺乳动物的泪、唾液、血浆、尿、乳汁等体液中。其中以蛋清含量最为丰富(稀释50万倍后仍有杀菌作用)。
Alexander Fleming 蛋清
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护肤品中的溶菌酶
• 溶菌酶在化妆品中添加可以强化皮肤抗菌力,抑制细菌繁殖,消炎退肿。
• 溶菌酶能催化各种微生物细胞分解,对致病菌起破坏作用,尤其是对暗疮杆菌有强大的杀灭作用,对暗疮皮肤有一定的治疗效果。
暗疮 含有溶菌酶的护肤品
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透明质酸
• 透明质酸(hyaluronic acid),也称玻尿酸,是一种酸性粘多糖,广泛的分布在上皮,结缔和神经组织中。
• 透明质酸具有保护细胞,润滑关节,维持水平衡的作用。
透明质酸单体 透明质酸分布在上皮细胞下层
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透明质酸在美容中的使用
• 由于透明质酸具有一定调节肌肤水分的作用,因此被作为一种重要的护肤因子,被添加在护肤品中,面膜中,或者直接服用。
• 在美容业中,透明质酸被直接注射到作用部位。
面霜 面膜 胶囊 注射针剂
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打多了怎么办?-透明质酸酶
• 透明质酸酶(hyaluronidase)是一类可以降解透明质酸的酶,它可以提高组织中液体渗透能力的酶,在临床上被作药物渗透剂,促进药物的吸收。
• 经常存在透明质酸过度注射的现象,所以透明质酸酶作为补救措施,被运用到美容行业中。
透明质酸酶的针剂 注射透明质酸酶
手性制药和手性酶 -高效低毒药物的奥秘
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手性
• 手性(chirality):如果某物体与其镜像不能重合,则其被称为“手性的”,好比左手和右手互为镜像而无法叠合。
• 手性物体与其镜像被称为对映体(enantiomorph)。
• 手性物质分为两类:根据不同的规则,可分为R型和S型,或者L型和D型。
(S)-Alanine (R)-Alanine
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药物分子具有手性
• 绝大多数的药物由手性分子构成,两种手性分子可能具有明显不同的生物活性。一个异构体可能是有效的,而另一个异构体可能是无效甚至是有害的。
萘普生可以治疗关节炎疼痛,其对映体不仅没有止痛效果,还会造成肝脏中毒
肺敌平可以治疗肺结核, 而其对映体则能致盲。
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“反应停”悲剧
• 1957-1962年,在手性药物未被人们认识以前,欧洲一些医生曾给孕妇服用没有经过拆分的“反应停” (Thalidomide)药物作为镇痛药或止咳药,很多孕妇服用后,生出了无头或缺腿的先天畸形儿,仅仅4年时间,世界范围内诞生了1.2万多名畸形的“海豹婴儿”。
• 后来经过研究发现,反应停的R型有镇静作用,但是S型对胚胎有很强的致畸作用。
“反应停”的受害者
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手性制药
• 手性制药就根据不同手性的药物分子具有不同药效的原理,排除无效(不良)对映体的药物分子,获得纯对映体的手性药物。
• 在临床治疗方面,服用纯对映体的手性药物可以降低毒副作用,还能减少药剂量和人体对无效对映体的代谢负担,具有十分广阔的市场前景和巨大的经济价值。
• 2001年,全球手性药物的的市场销售额达到1230亿美元。
在10种最热销的药物中,9种药物的活性成分具有手性
C&E News, June 14, 2004, p. 47
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手性催化的研究获诺贝尔奖
• 2001年,三位科学家因为发明了手性催化的化学方法获得了诺贝尔化学奖。其中William S. Knowles和野依良治发明了“手性催化加氢还原技术”,K. Barry Sharpless发明了“手性催化氧化合成技术”。
野依良治 William S. Knowles K. Barry Sharpless
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高效的手性催化者-手性酶
• 在微生物中存在丰富的手性酶,可以催化形成特定的对映体。酶催化反应,专一性高,反应条件简单,成本低廉,是未来生产手性药物的重要手段。
• Atazanavir是治疗HIV感染药物。在Atazanavir合成过程中,来自于红平红球菌 的还原酶可以催化生成一个关键的手性中间产物。
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手性酶参与生产糖尿病新药
• Merck公司开始利用来源于节杆菌属的转氨酶来生产抗高血糖新药,Sitagliptin(西他列汀)。
• 酶的催化方法提升了50%的产率,减少了20%的废弃物。
• 西他列汀年销售额超过10亿美元
如何让马儿吃到少,还能长得好? -饲养酶的应用
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• 饲料是饲养动物的食物。
• 我国是畜牧业大国,但是饲料原料紧缺,每年饲料缺口高达4000万吨。
• 我国目前饲料利用率低,仅有50-60%,造成饲料大量浪费,同时还激化了饲料短缺的矛盾。
• 饲料中无法被吸收的部分随粪便被排入环境,造成氮,磷,硫的污染。
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饲料危机
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牲畜粪便对环境的污染 畜牧业的发展离不开饲料
• 植物性饲料利用率低下的主要原因在于饲料中存在大量难以被动物消化吸收的抗营养因子,包括木聚糖、纤维素等非淀粉多糖和植酸等。
• 在饲料中添加能够降解这类抗营养因子的酶,可以提高饲料利用率,减少环境污染,缓解饲料紧缺的危机,同时减少抗生素的使用,提高食品安全。
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饲用酶是提高饲料利用率的关键
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木聚糖 植酸 饲料
• 木聚糖是一种半纤维素,它在木质植物中的含量为10~35%。它不能被牲畜吸收,反而会增加消化道内容物黏稠度,影响肠道蠕动及营养物质的吸收。
• 木聚糖酶可以将木聚糖降解为木糖,可以降低黏稠度。木糖可以被肠道微生物吸收,有助于促进肠道有益菌的生长。
• 在饲料中添加木聚糖酶,可以提高植物性饲料中蛋白的利用率。
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常用饲用酶:木聚糖酶
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木聚糖酶降解木聚糖 木糖代谢途径
• 植酸是饲料中磷的主要形式(50~70%),由于植酸无法被吸收,因此只能由粪便排除,造成环境中的磷污染。
• 植酸酶可以将植酸降解为肌醇和有机磷,有机磷可以作为磷原被吸收。
• 在饲料中添加植酸酶,减少了饲料中磷的添加,同时也减少了排泄物中的磷,从而达到了环保的效果。
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常用饲用酶:植酸酶
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• 高温失活:普通饲用酶和微生物在高温饲料制粒过程中的活性损失高达90%,严重影响了饲用酶的功效
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饲用酶耐温性能差
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失活结构
T > Tm
去折叠
活性结构
温度高于蛋白去折叠温度
• 生物信息学预测影响蛋白稳定性的关键氨基酸。
• 利用定向进化的方式,获得耐温木聚糖酶和植酸酶的突变体。
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基因工程获得耐温型饲用酶
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耐温木聚糖酶Tm值比 野生型木聚糖酶提升12°C
耐温植酸酶经80C热处理后,残余活性达到90%以上,野生型活性则不足10%。
• 每克高温制粒饲料添加1-2U耐温木聚糖酶,可提高原料蛋白利用率0.5~1%。
• 每吨饲料中添加60-100g植酸酶,可减少磷酸氢钙用量4-8.5公斤。
• 2009-2011累计新增产值1.8亿元,新增利润5366万元,新增税收1766万元
• 每年向水体和土壤减少排放65万吨磷酸钙和105万吨氮。
• 产品远销海外,提升了中国科技产品的国际竞争力。
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新型饲用酶的社会效益
改变生活的生物技术
提高全球
市场竞争力
改善环境 绿色地球
降低饲 料成本
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复旦大学的荣誉
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吕红 教授
黄强 教授 周峻岗 博士
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